雷達液位計物位計
物位是工業生產過程中重要的測量參數之一，非接觸式測量方法是近些年測量物位的重要方法。較成熟的非接觸測量技術有超聲波技術和核輻射技術。核輻射技術因有放射源，應用需特別批準，故只用于其他方法不能解決的場合，應用受到限制。超聲波技術近年來發展較快，價格也有所降低，是目前應用最廣泛的非接觸式測量方法，但超聲波必須借助媒質傳播，在物位測量中通常以空氣作傳播媒質，而氣相媒質的溫度、濕度、組分等的變化都會影響超聲波傳播速度，故測量時需要進行補償。
1998年，在過程檢測領域出現了高性能、低價格的微博物位計（雷達物位計）。微博的傳播不受上述因素影響，特別是在化工、石化等過程工業領域，由于被測物位介質普遍存在高溫、高壓、腐蝕、揮發、冷凝等復雜工況，而且有防爆要求，故比起超聲波物位計，它更有優勢。近年來超高頻半導體器件技術的發展，低價、高性能的微博物位計（雷達物位計）的推出，使其能有較低的價格用于過程檢測。
對于大型儲罐，存儲易凝結、懸濁液、黏稠及具有腐蝕性液體的液位測量時，適于采用雷達液位計。它的特點是：無位移、無傳動部件、非接觸式測量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制；同時雷達液位計沒有測量盲區，液位測量誤差僅為0.1~1.0mm，分辨率達1~20mm。即可用于工業測量，也可用于計量。圖3-20所示為雷達液位計。
1.測量原理
各種物體發射的自然輻射頻率遍布整個電磁波譜，通常將波長在0.001~1m，頻率從300MHz~3000GHz范圍內的電磁波稱為微波。微波既具有電磁波的特性，又與普通的無線電波和光波不同，其特點如下：
①定向傳播。利用這一特點，通過方向性較強的天線，可將微波定向傳輸到空間。
②準光學特性。具有與光波近似的特性，即從一種媒介進入到另一種媒介時，將產生折射與反射。介質導電性越好或介電常數越大，回撥型號的反射效果越好。遇到金屬平面時，將發生全反射，其繞射能力差。
③傳輸特性好。傳播速度相當于光速，可以穿透空間云層、霧和小雨，受粉塵、煙霧、強光等干擾源的影響小。對環境遙感和軍事應用十分有利。
④介質對微波的吸收與介電常數成正比，水對微波的吸收作用最強。
雷達液位計采用高頻振蕩器作為微波發生器，發生器產生的微波用波導管引到輻射天線，并向下射出。當微波遇到障礙物，如液面時，部分被吸收，部分被反射回來。通過測量發射波與液位發射波之間的某種參數關系來實現大型儲罐中液位的測量。頻率越高，發射角越小，單位面積上能量（磁通量或場強）越大，波的衰減越小，雷達液位計的測量效果越好。
雷達式液位計主要由發射和接收裝置、信號處理器、天線、操作面板、顯示、故障報警等幾部分組成。發射--反射--接收是雷達液位計工作的基本原理，如圖3-21所示。
雷達傳感器的天線以波束的形式發射最小5.8GHz的雷達信號，反射回來的信號仍由天線接收，雷達脈沖信號從發射到接收的運行時間與傳感器到介質表面的距離以及物位成比例，即：
h=H-ut/2
式中
h為料位；H為槽高；u為微波速度；t為雷達波發射到接收的間隔時間。
2.應用特點
微波和超聲波都是采取向被測目標發射波并接收目標反射波來計算距離、測量物位的，因此都需要一個波發生器及一個波接收器，具體的差別如表3-1所示
|
類 別 |
微 波 |
超聲波 |
波類型 |
電磁波 |
機械波 |
反射特性 |
在不同介電常數的界面上反射 |
在不同聲阻抗率介質的界面上反射 |
壓力影響 |
微不足道 |
很小 |
溫度影響 |
微不足道 |
需溫度補償 |
傳播速度影響 |
約3*108m/s |
約344m/s |
測量盲區 |
到天線頂端 |
離輻射面大于250mm |
動態范圍 |
高達150dB |
高達100dB |
傳播環境 |
很少受氣相環境影響 |
要求均一的氣體環境 |
主要技術因素如下：
①響應回波強度的因素。微波以光速傳播，速度幾乎不受介質特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km。回波信號強弱很大程度取決于被測液面上的反射情況。在被測液面上的反射率除了面積及形狀因素外，主要取決于物料的相對介電常數εr。相對節點常數高，反射率也高，得到的回波也強。對于普及型的雷達液位計，通常要求被測物料介電常數εr＞4，對于更低介電常數的物料，要求增設波導管來增強回波信號，或選用較復雜的雷達，通常的測量下限是εr＞20.
②數據和信息的傳送。對于高精度雷達，通常提供RS-232/485通信接口和計算機直接通信。對于目前大量使用的普及型雷達，則提供傳統的4~20mA DC模擬信號來代表物位、距離或體積。一般還在其上疊加HART數字信號，或提供各種協議的現場總線數字通信。
③對人體健康的影響。微波輻射會引起人和動物的損失，這是眾所共知的。一般對外泄露的微波功率密度通常限制在1~10mW/cm2,不會對人體健康造成損傷，而物位測量中雷達系統功率密度約為0.125mW/cm2，低于臨界值，所以雷達物位計不會有這方便的問題。
由于雷達液位計采用了先進的回波處理和數據處理技術，加上雷達波本身頻率高、穿透性好的特點，所以雷達液位計具有比接觸式液位計和同類非接觸式液位計更加優良的性能。
①可在惡劣條件下連續準確得測量；
②操作簡單，調試方便。
③準確安全且節省能源；
④無需維修且可靠性強；
⑤幾乎可以測量所有介質。
3安裝應注意的問題
①當測量液態物料是，傳感器的軸線和介質表面保持垂直；當測量固態物料時，由于固體介質會有一個堆角，傳感器要傾斜一定的角度。
②經理避免在發射角內有造成假反射的裝置。特別要避免在距離天線最近的1/3錐形發射區內有障礙裝置（因為障礙裝置越近，虛假反射信號越強）。若實在避免不了，建議用一個折射板將過強的虛假反射信號折射走。這樣可以減小假回波的能力密度，使傳感器較容易地將虛假信號濾出。
③要避開進料口，以免產生虛假反射。
④傳感器不要安裝在拱形罐的中心處（否則傳感器受到的虛假回波會增強），也不能距離管壁很近安裝，最佳安裝位置在容器半徑的1/2處。
⑤要避免安裝在有很強渦流的地方，如由于攪拌或很強的化學反應等，建議采用導波管或旁通管測量。
⑥若傳感器安裝在接管上，天線必須從接管伸出來。喇叭口天線伸出接管至少10mm.可以采取加大接管直徑的方法，以減少由于接管產生的干擾回波。
⑦關于導波管天線，導波管內部一定要光滑，下面開口的導波管必須達到需要的最低液位，這樣才能在管道中進行測量。傳感器的類型牌要對準導波管開孔的軸線。若被測介電常數小于4，需在導波管末端安裝反射板，或激昂導波管末端彎成一個彎度，將容器底的反射回波折射走。
